一种激光熔化沉积成形熔池动力学数值模拟技术

标题：一种激光熔化沉积成形熔池动力学数值模拟技术

摘要：本发明涉及一种激光熔化沉积成形熔池动力学数值模拟技术，其包括(1)建立数值模型及划分网格；(2)设置模型属性及材料属性；(3)选择热源模型；(4)设置边界条件；(5)选择求解器；(6)模型初始化；(7)计算温度场、速度场及熔池形貌。本发明的激光熔化沉积成形熔池动力学数值模拟方法提出的计算模型考虑了熔池自由表面和糊状区，计算出的熔池形貌、温度场、速度场、自由表面更接近于真实情况。

申请号：CN201611169129.0

申请日：2016/12/16

申请人：中国航空工业集团公司沈阳飞机设计研究所

首项权利要求：一种激光熔化沉积成形熔池动力学数值模拟技术，其特征在于，包括(1)建立数值模型及划分网格，数值模型包括基材和空气域并对其进行网格划分；(2)设置模型属性及材料属性采用Fluent中的VOF模型建立气液两相流模型；采用Fluent的熔化凝固模型模拟相变过程；将随温度变化的热物性参数，通过编写UDF程序加载到模型中；(3)选择热源模型热源分布为体热源形式，具体为Sq(r)=3η Qπ R2exp(-3r2R2)/Zgs式中，q(r)为距热源中心r处的热流密度，η为激光功率利用率，Q为激光功率，R光斑半径，Zgs指模型在Z向网格尺寸；(4)设置边界条件边界条件包括空气层、基材上表面、基材左右侧面及底面；空气层：左右侧面与顶部，定义为压力出口；基材上表面：存在高斯热源的能量输入，以及对流换热与辐射散热作用，这些体现在能量方程的源项中, 公式为-k∂ T∂ y=3η Qπ R2exp(-3r2R2)r≤ R-k∂ T∂ y=ht(T-Ta)+σ ϵ r(T4-Ta4)r> R式中，k导热系数，r与光斑中心的距离，R光斑半径，η为激光功率利用率，Q为激光功率，ht对流换热系数，σ玻尔兹曼常数，εr黑体辐射系数，Ta周围环境温度；基材左右侧面与底面：与周围空气存在对流换热及辐射散热；(5)选择求解器压力-速度耦合求解程序采用PISO，压力场离散采用PRESTO，动量方程、能量方程采用Second?Order?Upwind；(6)模型初始化采用Region命令定义基材区域，通过path进行模型初始化设置，将基体部分设置为金属相体积分数等于1的区域；(7)计算温度场、速度场及熔池形貌采用固定网格法计算熔池温度场、速度场以及熔池形貌，控制方程组为：∂ ρ ∂ t+div(ρ U)=0∂ (ρ u)∂ t+div(ρ Uu)=div(μ gradu)-∂ P∂ x+Sx∂ (ρ v)∂ t+div(ρ Uv)=div(μ gradv)-∂ P∂ y+Sy∂ (ρ h)∂ t+div(ρ Uh)=div(α gradh)+Sh式中，ρ为密度，U为熔池内流动速度，u, v为U在x, y两个方向的分量，h为显焓，α为热扩散率，μ为动力学粘性系数，P为压力，Sh为能量方程源项，Sx, Sy为x, y两个方向上动量方程的源项；Sh=∂ (ρ Δ H)∂ t+div(ρ UΔ H)SxSy=Amush(1-f1)2(f13+ϵ )uv式中，△H熔化潜热，f1液相分数，Amush糊状区常数，ε＝0.001。

专利类型：发明申请